1系统结构

养殖池水体溶解氧浓度通过Zigbee节点测量，无线传感网络采用低能量自适应分群分层协议，测量节点把测量参数发送给簇首，簇首把测量数据融合后，发送给基站，基站距离控制器比较近，采用RS-485串行通信把测量数据传送给CPU(S7-200PLC),CPU根据溶解氧含量的多少以及变化过程变频控制叶轮增氧机应急增氧或低速“耕水”[11-13]。

2无线传感网络

无线传感网络节点大部分依靠电池供电，更换电池特别是单个更换电池非常浪费人力资源。因此在无线传感网络中，从单个节点到整个网路，从最底层的硬件到高层的通信协议及数据管理，节约能源是关键要素。无线通信模块主要存在数据发送、数据接收、空闲和休眠4种状态。通信模块在发送状态下能量消耗最大，而在空闲和接收状态的能量消耗相近，略低于发送状态的能量消耗，在休眠状态功耗远低于其他三种状态。减少不必要的数据发送和接收，节点不通信时尽快进入休眠状态可以节约供电电池能耗。在水产养殖参数监控的无线测量网络中，在保证测量精度的前提下，主要采取两种节能措施。一是采用低能量自适应分群分层协议(LEACH)，对传感节点汇聚到簇首节点的数据进行融合，由簇首再向基站转发，与平面路由协议中不断转发数据相比，数据融合大幅减少了数据的发送。二是根据水质参数变化的实际情况，增加簇首和普通结点的休眠时间[14-15]。2.1数据融合无线传感网络中数据融合的主要目的是节省能量、增强采集数据的准确性和提高采集效率。数据融合技术虽然增加了中间节点的计算量，但减少了数据传输过程中的冗余、减少了信道冲突，降低了功耗。图1所示的无线传感网络中，每个簇由6个节点组成，其中一个为簇首。当各节点把测量数据汇聚到簇首后，簇首采用加权平均法对数据进行融合，公式为iniiXx1(1)其中xi为第i个节点的测量值，βi为加权系数，在本系统中，各测量节点加权系数相同，值为1/6。当一个节点失效后，在剩下的5个节点中，βi值为1/5，依次类推。X为数据融合值，由簇首发送给基站。2.2休眠控制2.2.1LEACH协议中TDMA通信LEACH协议中采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)时分多址通信。时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)，每一个帧再分割成若干个时隙，在每个时隙节点向簇首发送数据。TDMA通信可以避免信道冲突以及冲突引起的数据丢包;保证了数据传送的可靠性和实时性;当节点不在工作期间时进入睡眠状态节约能量。本系统水产养殖无线传感网络中，传感节点位置和分簇固定。由于被选为簇首的节点能耗大，LEACH协议中通过节点剩余能量的多少选择簇首，达到节点剩余能量的均衡。在调度阶段，簇头将数据传输阶段分为n个帧，每个帧根据簇内节点数的多少分成相应的时隙。在每个时隙，簇首一直监听，随时准备接收普通节点上传的监测数据。2.2.2LEACH协议帧优化水产养殖中水体溶解氧参数变化缓慢，而且控制精度要求不高。系统中当监测到水体溶解氧浓度与上次发送值差值在0.1mg/L范围内时，为节省能量不向簇首发送，簇首默认本次监测值与上次相同。而簇首在该时隙内一直处于监听状态，能量消耗较大。如图2a所示，在帧1中的5个时隙中，仅第1，3个节点需要发送数据，但簇首一直处于监听状态。在优化的TDMA通信中，如图2b所示，在每帧的开始进行时隙调度，需要发送数据的节点向簇首发出申请，簇首收到申请后安排2个时隙供节点1，3发送数据，发送完则全簇节点休眠，等待下一帧开始时苏醒，这样大幅增加了簇首的休眠时间。节点和簇首的工作状态如图3所示，常规LEACH协议中，每一帧的时间段内簇首大部分时间处于监听状态，只有在数据接收完毕的时隙内休眠很短的时间，在下个时隙重新唤醒，继续监听。而在优化LEACH协议中，经过簇首调度，安排需要发送数据的节点按时隙发送，数据发送完毕后簇首和节点均进入较长时间的休眠状态。由图3可以看出，LEACH协议优化后，大幅增加了簇首休眠时间，节约了供电电池能量。